Разработка и исследование оптико-электронной измерительной системы для компарирования нивелирных реек тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Мясников Яков Владимирович

• Мясников Яков Владимирович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Мясников Яков Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1 Анализ степени разработанности темы

1.1 Классификация нивелирных реек

1.2 Классификация методов и средств компарирования нивелирных

реек

1.3 Штриховая мера длины IV типа класса точности

1.4 Малый оптико-механический компаратор ЦНИИГАиК

1.5 Компаратор МИИГАиК

1.6 Горизонтальный интерференционный компаратор СГУГиТ

1.7 Вертикальный автоматизированный интерференционный компаратор ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД»

1.8 Иностранные методы и средства компарирования нивелирных реек

1.9 Выводы по разделу

2 Исследование принципиальных возможностей использования многоэлементных фотоприемников для компарирования линейных шкал геодезических инструментов

2.1 Общие положения

2.2 Определение пикселя

2.3 Принцип действия и основные характеристики матриц МФП

2.3.1 Типы матриц

2.3.2 Основные характеристики матриц МФП

2.3.3 Методы получения цветного изображения

2.3.4 Геометрическая нестабильность пикселей матриц МФП

2.4 Объективы ЦФ и их характеристики

2.4.1 Фокусное расстояние и угловое поле объектива

2.4.2 Аберрации объектива

2.4.3 Разрешающая способность

2.4.4 Частотно-контрастная характеристика

2.5 Фотограмметрическая калибровка ЦФ

2.6 Выбор оптимальной комбинации «матрица МФП - объектив ЦФ»

для использования в качестве оптико-измерительной системы

2.7 Предпосылки использования матриц МФП в качестве измерительной шкалы

2.8 Обоснование применения матриц МФП в качестве измерительной шкалы

2.9 Выводы по разделу

3 Разработка и исследование оптико-электронной измерительной

системы с использованием матриц многоэлементных фотоприемников

для компарирования нивелирных реек

3.1 Разработка стенда СКР

3.1.1 Предрасчет параметров стенда СКР с учетом выбранных ЦФ

и объектива

3.1.2 Принцип работы стенда СКР

3.1.3 Устройство стенда СКР

3.1.4 Конструкция стенда СКР

3.2 Исследование стенда СКР

3.2.1 Определение цены деления пикселя

3.2.2 Расчет ожидаемой СКП компарирования нивелирных реек с использованием стенда СКР

3.2.2.1 Источники погрешностей стенда СКР

3.2.2.2 Параметры ЦФ

3.2.2.3 Параметры объектива ЦФ

3.2.2.4 Параметры конфигурации стенда СКР

3.2.2.5 Параметры элементов конструкции стенда СКР

3.2.2.6 Погрешности измерений

3.2.2.7 Ожидаемая погрешность компарирования одного метра

нивелирной рейки с помощью стенда СКР

3.3 Фактическая СКП компарирования одного метра нивелирной

рейки с помощью стенда СКР

3.4 Методика настройки стенда СКР

3.5 Методика компарирования нивелирных реек с использованием стенда СКР

3.6 Программное обеспечение

3.7 Сравнение методов компарирования нивелирных реек

3.8 Компарирование трехметровой телескопической шашечной рейки

с использованием разработанной ОЭИС

3.9 Выводы по разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование оптико-электронной измерительной системы для компарирования нивелирных реек»

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на бурное развитие техники и технологий в геодезической отрасли, такой, на первый взгляд, простой вид работ, как нивелирование, остается актуальным. В современных реалиях классическое нивелирование, выполняемое с помощью оптического нивелира и шашечной рейки, встречается редко, так как предпочтение отдают цифровым нивелирам со штрих-кодовыми рейками. Цифровые нивелиры имеют высокий уровень автоматизации процесса нивелирования и возможность автоматической регистрации измеряемой информации с последующей записью во внутреннюю или внешнюю память прибора. Однако они уступают оптико-механическим нивелирам в плане автономности, а также простоты конструкции, что негативно сказывается на возможности самостоятельного обслуживания цифровых нивелиров.

В 2014 г. был введен в действие ГОСТ Р 8.792-2012 [14], в котором описывается методика поверки измерительной системы «Цифровой нивелир - кодовая рейка», а в 2019 г. переиздан. Нормативный документ, в котором описана методика поверки шашечных реек - ГКИНП (ГНТА)-03-010-03 [7], введен в действие в 2004 г., а в настоящее он время утратил юридическую силу.

Актуальность темы исследования. Процесс компарирования нивелирных шашечных реек не претерпел изменений с последнего издания документа ГКИНП (ГНТА)-03-010-03, хотя за это время появились новые технологии и современные средства, позволяющие автоматизировать процесс поверки нивелирных реек.

В настоящее время количество нивелирных шашечных реек, применяемых на территории Российской Федерации, превышает сотни тысяч единиц, и все они требуют проведения первичной и периодической метрологических поверок.

Компарирование шашечных реек, согласно нормативным документам, по-прежнему выполняется в ручном режиме с разделением измерительного и аналитического этапов работы. Конечно, можно компарировать рейки с помощью автоматизированных интерференционных компараторов, но для этого рейки необходимо доставлять к месту поверки, поскольку интерференционные компараторы имеют большие размеры и являются стационарными.

Поэтому актуальными являются задача автоматизации процесса поверки нивелирных реек на основе современных мобильных цифровых средств измерений, а также задача разработки соответствующей методики компарирования нивелирных реек.

Степень разработанности темы. В последнее время все больше внимания уделяют цифровому нивелированию и, как следствие, штрих-кодовым рейкам. Компарирование штрих-кодовых реек для цифровых нивелиров выполняется согласно ГОСТ Р 8.792-2012. С 2004 г. новые методики компарирования шашечных реек и новые средства их поверки не появились.

Известны следующие средства компарирования нивелирных реек: стационарные горизонтальные и вертикальные интерференционные компараторы (МИИГАиК, ЦНИИГАиК, СГУГиТ и др.), оптико-механические компараторы (ОМК МИИГАиК, МК-1 и др.), механические компараторы (УПС ПО «Инжгеодезия» и др.), а также, так называемая, женевская линейка или контрольная линейка (КЛ).

Большой вклад в разработку методов и средств компарирования нивелирных реек внесли такие известные ученые, как Ф.Н. Красовский, А.И. Спиридонов, Л.Г. Куликова, Г.А. Уставич, Х.К. Ямбаев и др., а также их иностранные коллеги F. Deumlih, H. Heister, H. Woschitz, F. Brunner, M. Takalo, H. Ingensand и др.

Несмотря на высокую степень автоматизации и высокую точность получаемых результатов, интерференционные компараторы являются

стационарными и дорогими в изготовлении. Кроме того, для их обустройства и обслуживания, требуется помещение значительной площади.

Цель и задачи исследования. В рамках общей цели - разработки и исследования оптико-электронной измерительной системы (ОЭИС) с использованием матриц многоэлементных фотоприемников (МФП) для компарирования нивелирных реек - были поставлены следующие задачи:

- разработать автоматизированную, компактную и мобильную ОЭИС для компарирования нивелирных реек на основе свойств матриц МФП;

- разработать методику настройки ОЭИС для компарирования нивелирных реек;

- разработать методику компарирования нивелирных реек с использованием ОЭИС;

- выполнить анализ современных методов и средств компарирования нивелирных реек.

Объектом исследования является компарирование нивелирных реек. Предметом исследования является разработка и исследование ОЭИС для компарирования нивелирных реек с использованием матриц МФП.

Теоретическая значимость исследования заключается в обосновании возможности использования матриц МФП массовых цифровых фотокамер (ЦФ) в геодезической метрологии.

Практическая значимость исследования заключается в разработке ОЭИС, которая может использоваться в метрологических центрах и геодезических организациях для оперативной поверки нивелирных реек с целью выявления их дефектов.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

- разработанная оптико-электронная измерительная система позволяет компарировать нивелирные рейки со средней квадратической погрешностью 0,07 мм, основываясь на свойстве геометрической

стабильности пикселей матрицы многоэлементных фотоприемников среднестатистической зеркальной цифровой фотокамеры, используемой в качестве измерительной шкалы.

Методология и методы диссертационного исследования основаны на эмпирических методах научного познания: измерение, эксперимент, сравнение. Применяются методы - аналитический, системный анализ, моделирование.

На защиту выносятся следующие новые научные положения и результаты:

- разработана автоматизированная, компактная и мобильная ОЭИС для компарирования нивелирных реек на основе свойств матриц МФП, позволяющая получать и обрабатывать результаты измерений в цифровом формате;

- разработана методика настройки ОЭИС для компарирования нивелирных реек, позволяющая осуществлять настройку стенда в лабораторных и полевых условиях;

- разработана методика компарирования нивелирных реек с использованием ОЭИС, обеспечивающая среднюю квадратическую погрешность (СКП) 0,07 мм;

- выполнен анализ методов и средств компарирования нивелирных реек, доказывающий отсутствие современных, компактных и мобильных средств компарирования нивелирных реек.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Основные положения диссертации соответствуют пункту 1 5 паспорта научной специальности 1.6.22 - Геодезия: «Геодезическая метрология. Разработка методов, средств и нормативных документов для метрологического обеспечения геодезических средств измерений. Создание и функционирование эталонных геодезических полигонов, базисов и

компараторов для поверки, калибровки и аттестации геодезических средств измерений».

Степень достоверности полученных результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью аналитических расчетов; сравнением результатов измерений, полученных известными методами и средствами, с методами и средствами компарирования, разработанными автором; сходимостью и воспроизводимостью результатов измерений.

Апробация полученных результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

- 74-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК, 2019г., г. Москва;

- 75-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК, 2020г., г. Москва;

- 76-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК, 2021г., г. Москва;

- Международной научной конференции «Пространственные данные: наука и технологии 2021», 2021г., г. Москва.

Публикации по теме диссертации. Основные положения и результаты исследований представлены в 4-х научных статьях в изданиях, включенных в Перечень ВАК, 2-х тезисах докладов и 1 -ом патенте РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 117 страницах и состоит из введения, трех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка литературы, содержит 54 рисунка, 18 таблиц и 1 приложение. Список литературы включает в себя 102 наименование.

1 Анализ степени разработанности темы

Нивелирные рейки (РН) являются средством измерений и подлежат обязательной первичной (при вводе новой рейки в эксплуатацию) и периодической (ежегодной) метрологической поверке. На рейки, внесенные в Государственный реестр средств измерений, после успешного прохождения поверки выдается свидетельство о поверке. На рейки, не внесенные Государственный реестр средств измерений, выдается свидетельство о калибровке. На рейки, не прошедшие поверку, выдается свидетельство о непригодности средства измерения (СИ).

1.1 Классификация нивелирных реек

Нивелирные рейки можно классифицировать:

- По точности:

• технические (РН-10);

• точные (РН-3);

• высокоточные (РН-05).

- То виду шкалы:

• шашечные;

• штриховые;

• штрих-кодовые.

- По материалу:

• деревянные;

• из алюминиевого сплава;

• из стеклопластика (фиберглассовые);

• инварные.

- По конструкции:

• складные;

• телескопические;

• цельные.

- По длине нивелирные рейки чаще всего бывают двух и трехметровые. Встречаются и другие размеры реек.

На деревянные рейки РН-10 наносят шашечную шкалу с двух сторон, на рейки из алюминиевого сплава или стеклопластика дополнительную шкалу иногда наносят в виде миллиметровых делений. По конструкции деревянные рейки бывают складными, а рейки из алюминиевого сплава или стеклопластика - телескопическими.

Рейки РН-3 изготавливаются аналогично рейкам РН-10, но с более строгими допусками к точности нанесения штрихов. Деревянные рейки РН-3 бывают только нескладными.

Рейки РН-05 имеют специальную штриховую (через 5 мм) или штрих-кодовую шкалу. Лента рейки, на которую наносится шкала, изготавливается из инвара, а корпус рейки может быть деревянный или из алюминиевого сплава. Рейки РН-05 бывают только цельные.

1.2 Классификация методов и средств компарирования нивелирных

реек

Шашечные и инварные штриховые рейки поверяют отдельно от нивелиров, а штрих-кодовые рейки поверяют совместно с цифровыми нивелирами - выполняют поверку измерительной системы «Цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка».

Различают три метода поверки нивелирных реек:

- метод прямого измерения;

- метод сличения (компарирования), когда эталонную меру сравнивают с поверяемой мерой;

- интерференционный метод, когда значение поверяемой меры сравнивают с измеренным (с заведомо более высокой точностью) значением этой меры с помощью интерферометра.

Существует несколько средств поверки нивелирных реек:

- штриховая мера длины IV типа класса точности 5 или КЛ;

- МК;

- ОМК;

- интерференционный компаратор (ИК).

КЛ используется для поверки точных (РН-3) и технических (РН-10) реек. Поверка с использованием КЛ основана на методе прямого измерения, когда шкалу КЛ сравнивают с поверяемой шкалой рейки.

МК и ОМК используются для поверки высокоточных штриховых инварных реек РН-05, но могут использоваться для поверки точных и технических реек. Принцип работы основан на методе сличения эталонной меры (микрометренного устройства в МК или инварного жезла в ОМК) с поверяемой (шкалой рейки).

ИК в основном используется для поверки измерительной системы «Цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка», но также может использоваться для поверки нивелирных реек всех видов и типов. Принцип работы компаратора основан на интерференционном методе, когда интервал рейки определяется с помощью нивелира (цифрового или оптического) и сравнивается с этим же интервалом, но измеренным с помощью интерферометра.

В настоящее время в большинстве стендов для компарирования нивелирных реек используется интерференционный метод.

1.3 Штриховая мера длины IV типа класса точности 5

Для поверки технических и точных нивелирных реек согласно [7, 19, 33, 47] средством поверки является штриховая мера длины IV типа класса точности 5 по ГОСТ 12069-90 [16] или КЛ (Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - КЛ

КЛ - образцовый метр с двумя лупами и термометром. «Образцовый метр имеет штрихи на скосах одной стороны через 0,2 мм, с другой стороны через 0,5 мм, две лупы с увеличением 7х для повышения точности отсчета с возможностью перемещения вдоль КЛ, и термометр, который закреплен на корпусе и используется для контроля температурного режима» [33]. Основные технические характеристики КЛ представлены в Таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Основные технические характеристики КЛ

№ Параметр Значение

1 Диапазон измерений, мм 1000

2 Допустимое отклонение длины одного деления, мм 0,02

3 Допустимое отклонение длины КЛ, мм 0,05

4 Неплоскостность основания, мм 0,6

5 Интервал рабочих температур, °С -30 +50

6 Габаритные размеры, мм 1050x28x63

7 Вес, кг 2,6

Длину отдельных интервалов шкал реек РН-3 и РН-10 проверяют при помощи линейки КЛ методом прямого измерения.

Допустимые значения метрологических характеристик при компарировании нивелирных реек согласно [7, 15, 33] представлены в Таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Допустимые значения метрологических характеристик

№ Метрологические характеристики Нормы по типам

РН-3 РН-10

Номинальное значение длины наименьшего деления, мм

1 - основной шкалы 10 10

- дополнительной шкалы 10 50

Допустимое отклонение от номинального значения длины

2 отдельных интервалов рейки от номинального значения, не более, мм

- наименьшего деления 0,20 0,50

- дециметровых интервалов 0,30 0,70

- метровых интервалов 0,50 1,00

3 Погрешность совмещения начала счета основной шкалы рейки с плоскостью пятки не более, мм 0,50 1,00

4 Отклонение от прямолинейности шкаловой поверхности рейки на всю длину, не более, мм 6 10

5 Длина шашек реек, мм ±0,02 ±0,02

6 Разность между средней длиной метра двух реек комплекта, мм 0,70 1,50

1.4 Малый оптико-механический компаратор ЦНИИГАиК

Малый оптико-механический компаратор ЦНИИГАиК (сейчас ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД»), выпускаемый ЭОМЗ под шифром МК-1 используется для поверки инварных штриховых реек. Основными элементами компаратора МК-1 являются:

- рельсовый путь, расположенный на массивных кронштейнах или каменных столбах;

- тележка для перемещения поверяемых рабочих мер;

- два неподвижных микроскопа, закрепленные на кронштейнах;

- две инварные штриховые меры, одна из которых запасная.

Принцип работы компаратора МК-1 основан на методе сличения эталонной меры - инварного жезла и поверяемой рейки. Основные технические характеристики компаратора МК-1 [32, 48] представлены в Таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Основные технические характеристики компаратора МК-1

№ Параметр Значение

1 Номинальная длина образцового инварного жезла (ОИЖ), мм 1000 ± 0,02

2 Погрешность длины ОИЖ, мкм < 5

3 Номинальная цена деления ОИЖ, мм 1 ± 0,01

4 Погрешность цены деления ОИЖ, мкм < 1

5 Цена деления уровня, '' 20

6 Цена деления микроскоп-микрометров, мкм 1

7 Вариация отсчетов микроскоп-микрометров, мкм < 3

8 СКП определения метровых интервалов, мкм < 10

9 Совмещение центров малого и большого биссекторов микрометра микроскопа, мкм, < 3

Измерения при компарировании нивелирных реек с использованием МК-1 [7, 20, 31, 32, 48] выполняют в три этапа:

- измерение длины компаратора;

- измерение длины метровых интервалов комплекта реек;

- измерение длины компаратора.

Компаратор МК-1 потерял свою актуальность с появлением штрих-кодовых реек и цифровых нивелиров.

1.5 Компаратор МИИГАиК

В настоящее время компаратор Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК) отвечает всем современным требованиям метрологического обеспечения геодезических средств измерений. С его помощью выполняются поверки штриховых мер длины, электронных тахеометров, лазерных сканеров, измерительной системы «Цифрой нивелир - штрих-кодовая рейка» и др.

«Компаратор МИИГАиК, был построен под непосредственным руководством выдающегося геодезиста Ф.Н. Красовского» [79] и введен в эксплуатацию в 1925 г. [23, 24, 49, 79]. Изначально компаратор (Рисунок 1.2, а) был оптико-механический (ОМК-24) и предназначался для аттестации

инварных проволок длиной 24 м, которые использовались для высокоточных базисных измерений с относительной погрешностью 1:1 000 000.

б

Рисунок 1.2 - Оптико-механический компаратор МИИГАиК (ОМК-24): а - до реконструкции; б - современный вид головной части 1 - столбы большие; 2 - столбы малые; 3 - направляющая с двумя подвижными микроскоп-микрометрами; 4 - тележка с образцовой мерой; 5 - рельсовый путь

«Компаратор расположен в полуподвальном помещении главного здания МИИГАиК и представляет собой ряд больших и маленьких, изолированных от пола, столбов, заложенных на глубину 1,2-2,0 м. Сам компаратор установлен на независимой бетонной плите, которая имеет

специальные температурные швы. Это необходимо, чтобы максимально ослабить, а по возможности, исключить влияние внешних факторов: сезонного промерзания грунта, вибраций, деформаций и т.д. В значительной степени этого удалось достичь, поскольку, расстояние между оптическими осями двух крайних микроскоп-микрометров, отстоящих друг от друга на расстоянии 24 м, в течение года меняется в пределах 0,2 мм по графику близкому к синусоиде.

На маленьких столбах компаратора расположен рельсовый путь, по которому перемещается тележка с образцовой мерой. На больших столбах, через 3 м друг от друга, закреплены микроскоп-микрометры. Изначально на ОМК-24 можно было аттестовать линейные средства измерения, длиной кратной 3 м. Впоследствии, после ряда усовершенствований компаратора (Рисунок 1.2, б), замены кронштейнов, улучшения освещения, усовершенствования тележки, а главное, после закладки двух дополнительных столбов и установки на них общей трехметровой направляющей с двумя подвижными микроскоп-микрометрами, появилась возможность аттестовать любые линейные средства измерения с длиной от 100 мм до 24 м» [80].

В течение 6 лет (2001-2007 гг.) ОМК-24 был коренным образом модернизирован по специально разработанному проекту и программе, утвержденных ректором университета проф. В.П. Савиных, и реализован коллективом сотрудников кафедры геодезии под научным руководством проф. Х.К. Ямбаева. В настоящее время, в качестве эталонов длины служат два лазерных интерферометра. Модернизированный ОМК-24 получил название «Универсальный метрологический комплекс МИИГАиК» (УМК-М) [49, 79-82], частью которого является стенд для поверки и калибровки нивелиров и реек (ИНиР) [83].

Стенд ИНиР. Стенд ИНиР (Рисунок 1.3) позволяет выполнять метрологическую поверку цифровых и оптических нивелиров, штриховых инварных реек, поверку измерительной системы «Цифровой нивелир -

штрих-кодовая рейка», а также независимые исследования нивелиров и нивелирных реек. Стенд ИНиР является горизонтальным интерференционным стендом с возможностью дополнительного контроля измерений с помощью инварного жезла. Кроме того, существует

возможность компарирования нивелирных реек интерферометра, только с помощью инварного жезла.

без использования

Рисунок 1.3 - Стенд ИНиР 1 - каретка; 2 - инварный жезл; 3 - направляющие рельсы; 4 - рейка; 5 - микроскопы; 6 -зеркало; 7 - направляющая; 8 - нивелир; 9 - уголковый отражатель; 10 - блок опорного канала интерферометра; 11 - интерферометр; 12 - бетонное основание; 13 - большие фундаменты; 14 - бетонная основа; 15 - микровинт

При последующих модернизациях стенда ИНиР зарегистрировано 3 патента [9, 12, 13]. В них описаны дальнейшие шаги модернизации стенда, направленные на повышение точности при поверке и калибровке цифровых нивелиров и штрих-кодовых реек.

Вертикальный интерференционный компаратор МИИГАиК для поверки измерительной системы «Цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка». Отличительной особенностью вертикального компаратора МИИГАиК (Рисунок 1.4) является перемещение нивелира вдоль вертикально установленной направляющей. Нивелирная рейка устанавливается в вертикальное положение и не перемещается в процессе поверки. Перемещения нивелира измеряются с помощью интерферометра и, в

результате сравнения разниц отсчетов по рейке с измерениями интерферометра, получают график поправок в отсчеты по рейке [11].

Рисунок 1.4 - Вертикальный интерференционный компаратор МИИГАиК для поверки измерительной системы «Цифровой нивелир - штрих-кодовая

рейка»: а - чертеж, б - внешний вид 1, 2 - фундаменты; 3 - опорная плита; 4 - направляющая для прямолинейного перемещения; 5 - каретка; 6 - поверяемый нивелир; 7 - становой винт; 8 - отражатель; 9 -интерферометр; 10 - куб-призма; 11 - пентапризма; 12 - отражатель опорного канал; 13 -ЭВМ; 14 - поверяемая штрих-кодовая рейка; 15, 16 - пятки; 17, 18 - круглые уровни; 19 -репер; 20 - оправа; 21, 22 - цилиндрические уровни; 23 - реверсивный электропривод; 24 - подъемные винты; 25 - стопорный винт

Компаратор МИИГАиК существует уже почти 100 лет и за это время неоднократно подвергался модернизации, чтобы соответствовать современным требованиям метрологического обеспечения геодезических средств измерений.

1.6 Горизонтальный интерференционный компаратор СГУГиТ

В Сибирском государственном университете геосистем и технологий (СГУГиТ), в отделе метрологии, стандартизации и сертификации находится горизонтальный интерференционный компаратор. Компаратор используется для эталонирования линейных мерных инструментов, для поверки измерительной системы «Цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка», следовательно, может быть использован для компарирования любых нивелирных реек.

В настоящее время, согласно [26, 28] компаратор имеет следующий вид (Рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 - Горизонтальный интерференционный компаратор СГУГиТ

1 - направляющие лазерного интерференционного компаратора; 2 - цифровой нивелир; 3 - подставка; 4 - каретка с ложементом и уголковым отражателем с мишенью; 5 - кодовая рейка; 6 - микроскоп; 7 - зеркало; 8 - лазерный интерферометр модели ML 10 GOLD фирмы RENISHAW; 9 - набор интерфейсов DX 10 USB с ноутбуком

«Компаратор находится в специальном одноэтажном помещении (галерее), расположенном между двумя пятиэтажными корпусами, удаленном от транспортных магистралей» [28]. Фундаментом компаратора является изолированная от пола бетонная подушка с глубиной залегания не менее 1,5 м. Требования по эксплуатации интерференционного компаратора [26, 28] представлены в Таблице 1.4.

Таблица 1.4 - Требования по эксплуатации горизонтального интерференционного компаратора СГУГиТ

№ Параметр Значение

1 Температура эксплуатации, °С 20±5 с допустимым изменением в процессе измерения не более 0,5°С при скорости измерения 0,1°С за 30с

2 Относительная влажность воздуха, % < 80

3 Скорость движения воздуха в рабочем пространстве, м/с < 0,1

4 Частота возмущающих вибраций, Гц - амплитуда в горизонтальной плоскости, мм - амплитуда в вертикальной плоскости, мм < 10 < 0,0002 < 0,0005

5 Проверка изоляции электропроводящих цепей на пробой: - напряжением, В - сопротивление клемм, Ом 1100 0,1

6 Заземление электроприборов Согласно требованиям безопасности

Основные технические характеристики горизонтального интерференционного стенда СГУГиТ представлены в Таблице 1.5.

Таблица 1.5 - Основные технические характеристики горизонтального интерференционного стенда СГУГиТ.

№ Параметр Значение

1 Предел измерения длины S, м 60

2 Дискретность отсчета, мкм 0,01

3 Погрешность измерения, мкм 0,025 ± 0,7 мкм/м

Принцип работы интерференционного компаратора СГУГиТ основан на методе компарирования разности отсчетов по рейке (превышения), полученных с помощью нивелира, с разностью расстояний до каретки

стенда, измеренной с помощью интерферометра. В качестве отсчетного устройства может использоваться нивелир или микроскоп.

В литературе информация об интерференционном компараторе СГУГиТ появилась в 2005 г [29], где были предложены два метода компарирования штриховых мер длины: метод сличения (компарирования) и интерференционный метод. Авторами выбран второй вариант создания компараторного стенда, как более перспективный и приведено обоснование выбора: «В 1983 г. на Генеральной конференции по мерам и весам решен вопрос о новом определении метра, при воспроизведении которого будет применено стабилизированное излучение лазеров определенных длин волн, указанный метод отвечает международным требованиям при передаче значений единицы длины» [29].

В [29] коротко описаны принципы разработки проекта интерференционного компаратора СГУГиТ, а также указаны две отличительные черты стенда - «регистрация положения штриха бесконтактным (фотоэлектрическим) способом и метод коррекции результатов измерений за непрямолинейность перемещения регистрирующего устройства и учета влияния поправок за рефракцию вдоль трассы измерений» [29]. Кроме того, представлены чертеж и схема интерференционного компаратора.

На основании результатов исследований [26, 27], полученных с использованием горизонтального интерференционного компаратора, разработан Национальный стандарт Российской Федерации - ГОСТ Р 8.7922012. Государственная система обеспечения единства измерений. Системы измерительные «Цифровой нивелир - кодовая рейка». Методика поверки

[14].

В [14, 27] описаны две установки для определения погрешности измерительной системы «Цифровой нивелир - кодовая рейка». Принцип работы Установки для поверки системы (УПС) (Рисунок 1.6) заключается в сравнении результатов измерения превышений с помощью нивелира с

величиной перемещения нивелирной рейки, полученной с помощью микрометренного устройства, через каждые 5 мм. Разность показаний нивелира и микрометренного устройства и является погрешностью системы УПС.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мясников Яков Владимирович, 2024 год

без использования

Рисунок 1.3 - Стенд ИНиР 1 - каретка; 2 - инварный жезл; 3 - направляющие рельсы; 4 - рейка; 5 - микроскопы; 6 -зеркало; 7 - направляющая; 8 - нивелир; 9 - уголковый отражатель; 10 - блок опорного канала интерферометра; 11 - интерферометр; 12 - бетонное основание; 13 - большие фундаменты; 14 - бетонная основа; 15 - микровинт

При последующих модернизациях стенда ИНиР зарегистрировано 3 патента [9, 12, 13]. В них описаны дальнейшие шаги модернизации стенда, направленные на повышение точности при поверке и калибровке цифровых нивелиров и штрих-кодовых реек.

Вертикальный интерференционный компаратор МИИГАиК для поверки измерительной системы «Цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка». Отличительной особенностью вертикального компаратора МИИГАиК (Рисунок 1.4) является перемещение нивелира вдоль вертикально установленной направляющей. Нивелирная рейка устанавливается в вертикальное положение и не перемещается в процессе поверки. Перемещения нивелира измеряются с помощью интерферометра и, в

результате сравнения разниц отсчетов по рейке с измерениями интерферометра, получают график поправок в отсчеты по рейке [11].

Рисунок 1.4 - Вертикальный интерференционный компаратор МИИГАиК для поверки измерительной системы «Цифровой нивелир - штрих-кодовая

рейка»: а - чертеж, б - внешний вид 1, 2 - фундаменты; 3 - опорная плита; 4 - направляющая для прямолинейного перемещения; 5 - каретка; 6 - поверяемый нивелир; 7 - становой винт; 8 - отражатель; 9 -интерферометр; 10 - куб-призма; 11 - пентапризма; 12 - отражатель опорного канал; 13 -ЭВМ; 14 - поверяемая штрих-кодовая рейка; 15, 16 - пятки; 17, 18 - круглые уровни; 19 -репер; 20 - оправа; 21, 22 - цилиндрические уровни; 23 - реверсивный электропривод; 24 - подъемные винты; 25 - стопорный винт

Компаратор МИИГАиК существует уже почти 100 лет и за это время неоднократно подвергался модернизации, чтобы соответствовать современным требованиям метрологического обеспечения геодезических средств измерений.

1.6 Горизонтальный интерференционный компаратор СГУГиТ

В Сибирском государственном университете геосистем и технологий (СГУГиТ), в отделе метрологии, стандартизации и сертификации находится горизонтальный интерференционный компаратор. Компаратор используется для эталонирования линейных мерных инструментов, для поверки измерительной системы «Цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка», следовательно, может быть использован для компарирования любых нивелирных реек.

В настоящее время, согласно [26, 28] компаратор имеет следующий вид (Рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 - Горизонтальный интерференционный компаратор СГУГиТ

1 - направляющие лазерного интерференционного компаратора; 2 - цифровой нивелир; 3 - подставка; 4 - каретка с ложементом и уголковым отражателем с мишенью; 5 - кодовая рейка; 6 - микроскоп; 7 - зеркало; 8 - лазерный интерферометр модели ML 10 GOLD фирмы RENISHAW; 9 - набор интерфейсов DX 10 USB с ноутбуком

«Компаратор находится в специальном одноэтажном помещении (галерее), расположенном между двумя пятиэтажными корпусами, удаленном от транспортных магистралей» [28]. Фундаментом компаратора является изолированная от пола бетонная подушка с глубиной залегания не менее 1,5 м. Требования по эксплуатации интерференционного компаратора [26, 28] представлены в Таблице 1.4.

Таблица 1.4 - Требования по эксплуатации горизонтального интерференционного компаратора СГУГиТ

№ Параметр Значение

1 Температура эксплуатации, °С 20±5 с допустимым изменением в процессе измерения не более 0,5°С при скорости измерения 0,1°С за 30с

2 Относительная влажность воздуха, % < 80

3 Скорость движения воздуха в рабочем пространстве, м/с < 0,1

4 Частота возмущающих вибраций, Гц - амплитуда в горизонтальной плоскости, мм - амплитуда в вертикальной плоскости, мм < 10 < 0,0002 < 0,0005

5 Проверка изоляции электропроводящих цепей на пробой: - напряжением, В - сопротивление клемм, Ом 1100 0,1

6 Заземление электроприборов Согласно требованиям безопасности

Основные технические характеристики горизонтального интерференционного стенда СГУГиТ представлены в Таблице 1.5.

Таблица 1.5 - Основные технические характеристики горизонтального интерференционного стенда СГУГиТ.

№ Параметр Значение

1 Предел измерения длины S, м 60

2 Дискретность отсчета, мкм 0,01

3 Погрешность измерения, мкм 0,025 ± 0,7 мкм/м

Принцип работы интерференционного компаратора СГУГиТ основан на методе компарирования разности отсчетов по рейке (превышения), полученных с помощью нивелира, с разностью расстояний до каретки

стенда, измеренной с помощью интерферометра. В качестве отсчетного устройства может использоваться нивелир или микроскоп.

В литературе информация об интерференционном компараторе СГУГиТ появилась в 2005 г [29], где были предложены два метода компарирования штриховых мер длины: метод сличения (компарирования) и интерференционный метод. Авторами выбран второй вариант создания компараторного стенда, как более перспективный и приведено обоснование выбора: «В 1983 г. на Генеральной конференции по мерам и весам решен вопрос о новом определении метра, при воспроизведении которого будет применено стабилизированное излучение лазеров определенных длин волн, указанный метод отвечает международным требованиям при передаче значений единицы длины» [29].

В [29] коротко описаны принципы разработки проекта интерференционного компаратора СГУГиТ, а также указаны две отличительные черты стенда - «регистрация положения штриха бесконтактным (фотоэлектрическим) способом и метод коррекции результатов измерений за непрямолинейность перемещения регистрирующего устройства и учета влияния поправок за рефракцию вдоль трассы измерений» [29]. Кроме того, представлены чертеж и схема интерференционного компаратора.

На основании результатов исследований [26, 27], полученных с использованием горизонтального интерференционного компаратора, разработан Национальный стандарт Российской Федерации - ГОСТ Р 8.7922012. Государственная система обеспечения единства измерений. Системы измерительные «Цифровой нивелир - кодовая рейка». Методика поверки

[14].

В [14, 27] описаны две установки для определения погрешности измерительной системы «Цифровой нивелир - кодовая рейка». Принцип работы Установки для поверки системы (УПС) (Рисунок 1.6) заключается в сравнении результатов измерения превышений с помощью нивелира с

величиной перемещения нивелирной рейки, полученной с помощью микрометренного устройства, через каждые 5 мм. Разность показаний нивелира и микрометренного устройства и является погрешностью системы УПС.

Вторая установка - горизонтальный интерференционный стенд (Рисунок 1.5) для поверки измерительной системы «Цифровой нивелир -штрих-кодовая рейка». Две рейки укладываются горизонтально на ложемент каретки и соединяются пятками через концевую меру длины (КМД). С помощью нивелира и зеркала повернутого под 45° к его визирной оси отсчитывают по рейкам в прямом и обратном направлениях. В момент взятия отсчета по рейке выполняют измерение расстояния до каретки с помощью интерферометра и отражателя. По разностям отсчетов по рейке и расстояний, полученных интерферометром, вычисляется СКП измерительной системы.

Рисунок 1.6 - Внешний вид (а) и чертеж (б) УПС, разработанной ПО Инжгеодезия (нивелир и КМД не показаны)

1 - основание; 2 - стойки; 3 - крышка; 4 - салазки; 5 - подвижный узел; 6 - микровинт; 7 - рейкодержатель; 8 - рейка; 9 - винты; 10 - КМД; 11 - уровни; 12 - лампа

В [26] представлены результаты определения средней длины метровых интервалов инварных штрих-кодовых реек с помощью горизонтального

интерференционного компаратора СГУГиТ. «Были выполнены исследования системы цифровой нивелир Leica DNA 03 № 334374 и пары штрих-кодовых реек Leica GPSL3 № 52158 и № 52607. В результате средняя длина метра для рейки № 52158 составляет 999,97 мм, для рейки № 52607 - 999,98 мм. Средняя длина метра комплекта реек составила 999,98 мм» [26].

В [25] приведен список ошибок измерений интерферометрической системы Renishaw «ML10 Gold Standard», которая используется при функционировании компаратора СГУГиТ. Рассмотрены несколько наиболее значимых ошибок:

- ошибка юстировки (непараллельность луча интерферометра и оси перемещения нивелирной рейки);

- статическая ошибка (некорректное введение поправок в результаты измерений блоком компенсации «ЕС10» интерферометра);

- ошибка смещения Аббе (несоосность луча интерферометра и оси перемещения).

В отделе метрологии, стандартизации и сертификации СГУГиТ разработана методика контроля и регулировки параметров компаратора и минимизации погрешностей измерений.

В [28] представлено одно из последних описаний горизонтального интерференционного компаратора СГУГиТ. С его помощью выполняются поверки штриховых мер длины, светодальномеров, лазерных сканеров, измерительной системы «цифрой нивелир - штрих-кодовая рейка» и др. Возможны две схемы выполнения поверочных работ. «Первая - измеряемая мера устанавливается на перемещающейся каретке с отражателем, а микроскоп для регистрации положения штриха меры и интерферометр неподвижны. Вторая - измеряемая мера неподвижна, а расстояние между штрихами регистрируется подвижным микроскопом с отражателем» [28]. Интерферометр закреплен неподвижно.

Как видно, сотрудники университета СГУГиТ проделали большую и серьезную работу при создании и исследовании интерференционного компаратора. В результате создана современная, универсальная, многоцелевая, аккредитованная измерительная система, которая, в том числе позволяет выполнять компарирование любых нивелирных реек, как инварных штрих-кодовых, так и шашечных деревянных или из других материалов.

1.7 Вертикальный автоматизированный интерференционный компаратор ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД»

В ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД» находится вертикальный автоматизированный интерференционный компаратор. Он позволяет выполнять поверку измерительной системы «Цифровой нивелир -штрих-кодовая рейка» согласно [14], а также поверять любые другие нивелирные рейки размером 1-3 м. Отличительной особенностью стенда является его вертикальное положение - поверяемая рейка находится в рабочем положении.

Компаратор введен в действие в 2016 г. в соответствии с контрактом между ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД» и Финским геодезическим институтом. «Он размещен в специально оборудованном помещении, пристроенном к геодезической поверочной лаборатории геодезического полигона ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД» [42].

Принцип действия вертикального компаратора аналогичен горизонтальному. Его принципиальным отличием является вертикальное положение поверяемой рейки (в рабочем положении). Отсчетным устройством вертикального компаратора является нивелир с установленной на окулярную часть видео камерой.

Схематичное изображение вертикального компаратора согласно [42] представлено на Рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 - Автоматизированный вертикальный интерференционный компаратор ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД»

1 - лазерный интерферометр; 2 - светоделительная призма; 3 - постамент; 4 - шаговый двигатель; 5 - отражатель; 6 - нивелир с CCD камерой; 7 - поверяемая рейка; 8 -линейный конвейер; 9 - рама; 10 - подъемная система; 11 - противовес

Основные технические характеристики вертикального компаратора представлены в Таблице 1.6

Таблица 1.6 - Основные технические характеристики вертикального

компаратора

№ Параметр Значение

1 Высота рамы, м 8

2 Расстояние от нивелира до рамы, м 3,1

3 Высота столба для установки нивелира, м 3,75

4 Ширина рельсового пути, см 36,5

5 Длина поверяемых реек, м 1-3

6 Диапазон измерений интерферометром, м 0-40

7 Погрешность линейных измерений интерферометром, ррт 0,5

8 Выходная мощность лазерного излучения, мВт 0,5

№ Параметр Значение

9 Размер матрицы камеры, pix 494x658

10 Размер матрицы камеры, мм 6,4x4,8

11 Шаговый двигатель для перемещения рейки, Вт/В 100/220

12 Шаг измерений, м 0,001-3

13 Рабочий диапазон температур, °С +5 - +35

Вертикальный интерференционный компаратор описан в [42, 43, 50]. Его основными элементами являются:

- лазерный интерферометр;

- модульная рама с направляющими рельсами;

- конвейерная тележка с шарикоподшипниковыми каретками;

- ложементы с зажимами для поверяемой рейки;

- видеокамера (ПЗС-камера);

- противовес (гиря);

- система блоков;

- прямоугольная призма (отражатель);

- светоделительная призма (сплиттер);

- шаговый двигатель;

- осветительная лампа;

- управляемый кондиционер;

- цифровая метеорологическая станция;

- источник бесперебойного питания;

- компьютер.

Время необходимое для поверки одной рейки с шагом в 20 мм составляет 55-65 минут.

Порядок действий при выполнении поверки выглядит следующим образом:

- определение размера пикселя ПЗС-камеры;

- измерение единственного (одинарного) интервала;

- основная программа измерений - определение погрешностей нанесения штрихов рейки.

Для функционирования компаратора используется программный комплекс, позволяющий выполнять необходимые настройки и калибровки, а также выполнять поверку реек в автоматическом режиме.

Полученная по результатам многолетних исследований Финского геодезического института расширенная неопределенность основных погрешностей работы вертикального компаратора составляет 0,52 мкм при доверительной вероятности 0,95. Основными погрешностями являются:

- погрешность из-за неточного определения размера пикселя;

- погрешность определения приборной поправки интерферометра;

- погрешность, вызванная изменением длины волны лазерного излучения под влиянием внешних условий;

- погрешность из-за нестабильности частоты гелия-неонового лазера;

- погрешность из-за неточного определения факторов внешней среды (атмосферного давления, влажности воздуха, температуры);

- погрешность из-за неточного соблюдения принципа Аббе;

- погрешность из-за непараллельности лазерного излучения и направления движения призмы, закрепленной на пятке рейки;

- погрешность из-за неточной установки рейки;

- погрешность установки ПЗС-камеры, вызванная эксцентричностью ее положения и неточностью фокусировки изображения;

- погрешность определения положения края штриха рейки;

- погрешность из-за изменения длины рейки под влиянием изменений в натяжении инварной полосы;

- погрешность из-за неточного знания температурного коэффициента климатического датчика.

В [43] поставлены задачи для будущих исследований с использованием вертикального интерференционного компаратора:

- «разработка методики определения коэффициента линейного расширения материала, из которого изготовлена шкала, в условиях работы компаратора;

- обоснование оптимального шага измерений при поверке (калибровке) нивелирных цифровых систем;

- сравнительный анализ точности определения масштабного коэффициента при поверке рейки и поверке системы;

- оценка отдельных составляющих погрешностей измерений на компараторе» [43].

Авторами [43] выполнено сравнение компаратора ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД» с компаратором УМК-М МИИГАиК. Преимуществами вертикального компаратора являются:

- «возможность получить погрешности каждого штриха рейки в рабочем (вертикальном) положении;

- программное обеспечение, которое предусматривает возможность поверки разных типов нивелирного оборудования, выпускаемого в настоящее время, включая поверку классических инварных штриховых реек;

- возможность определения коэффициента линейного расширения материала, из которого изготовлена шкала рейки» [43].

1.8 Иностранные методы и средства компарирования нивелирных реек

Компаратор фирмы «Блейль». В г. Дрезден, ГДР, был разработан компаратор (Рисунок 1.8) фирмы «Блейль» [18].

Рисунок 1.8 - Компаратор фирмы «Блейль» для поверки нивелирных реек Отличительной особенностью компаратора является работа по принципу совмещения. Изображения обоих концов метрового интервала рейки при помощи зеркал передаются в общее поле зрения окуляра (Рисунок 1.9). Изображения штрихов можно совместить посредством микрометра.

Рисунок 1.9 - Оптическая схема компаратора для нивелирных реек, действующего по принципу совмещения изображений штрихов 1 - оптический микрометр с плоскопараллельной пластинкой; 2 - рефлектор; 3 - инварная лента; 4 - рейка

Порядок работы схож с компаратором МК-1. Путем измерения, при помощи эталонного метра, определяется длина компаратора, затем под компаратором устанавливается исследуемая рейка и определяется длина ее метровых интервалов. После компарирования поверяемой рейки, повторно определяют длину компаратора. Эталонный метр может быть также вмонтирован в корпус компаратора и составлять с ним конструктивное целое.

Вертикальный интерференционный компаратор LVerna NRW.

Принцип работы вертикального компаратора (Рисунок 1.10) аналогичен компаратору ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД». Отличительной особенностью является климатическая камера, в которой находится компаратор. К недостаткам компаратора, созданного в конце 1980-х годов, можно отнести микроскоп с возможностью фиксации положения штрихов небольшой ширины. И, как следствие, поверка качества нанесения всех штрихов штрих-кодовых реек невозможна [21, 49, 79, 80].

Рисунок 1.10 - Вертикальный интерференционный компаратор LVerna NRW 1 - блок сбора информации о температуре, влажности, давлении; 2 - датчики температуры; 3 - барометр; 4 - гигрометр; 5 - направляющая; 6 - мотор; 7 - шпиндель; 8 -электронный микроскоп; 9 - опорный луч; 10 - принтер; 11 - плоттер; 12 - интерфейс; 13 - лазер интерферометра

Интерференционный компаратор Университета Бундесвера. На

горизонтальном интерференционном компараторе Университета Бундесвера (UniBw) в г. Мюнхен (Рисунок 1.11), «с помощью микроскопа с одним фотоприемником, определяется положение линий перехода от светлого поля штрих-кода к темному и, наоборот, от темного к светлому» [80], т.е. определяются положения краев штрихов кода [21, 49, 79, 80, 88, 89, 101].

Рисунок 1.11 - Горизонтальный интерференционный компаратор Университета Бундесвера в г. Мюнхен для поверки измерительной системы

«Цифровой нивелир - кодовая рейка»

1 - интерферометр; 2 - лазерный луч; 3 - цифровой нивелир NA 2000/3000; 4 - визирный луч; 5 - зеркало; 6 - отражатель; 7 - нивелирная рейка; 8 - направляющие; 9 - П-образная подставка

Вертикальный интерференционный компаратор Технического университета в г. Грац, Австрия. Отличительной особенностью компаратора (Рисунок 1.12) является возможность перемещения нивелира на каретке. Таким образом, можно поверять нивелирные рейки на расстоянии 1,5-30 м от нивелира [85, 91, 98-101].

Рисунок 1.12 - Вертикальный интерференционный компаратор Технического

университета в г. Грац, Австрия

Вертикальный интерференционный компаратор (SLAC), США.

Вертикальный интерференционный компаратор Стэндфордского линейного

ускорительного центра или Национальной ускорительной лаборатории (БЬАС) в США [102], также имеет возможность перемещения нивелира относительно рейки, однако конструкция перемещения нивелира крепится к потолку (Рисунок 1.13).

Рисунок 1.13 - Вертикальный интерференционный компаратор (SLAC),

США

Вертикальный интерференционный компаратор Финского института геопространственных исследований в г. Киркконумми.

Компаратор Финского института геопространственных исследований (Р01) в г. Киркконумми (Рисунок 1.14) является прототипом для вертикального компаратора ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД» [92-96].

Рисунок 1.14 - Вертикальный интерференционный компаратор Финского геодезического института в г. Киркконумми

Горизонтальные интерференционные компараторы кафедры Геоматики Чешского Технического Университета в г. Прага и департамента Геодезии и картографии Малайзии в г. Куала-Лумпур.

Компаратор кафедры Геоматики Чешского Технического Университета (СТЦ) в г. Прага (Рисунок 1.15, а) является прототипом малазийского (Рисунок 1.15, б). Компаратор департамента Геодезии и картографии Малайзии создан сотрудниками кафедры Геоматики Чешского Технического Университета [97].

Рисунок 1.15 - Горизонтальный интерференционный компаратор кафедры Геоматики Чешского Технического Университета в г. Прага (а) и компаратор департамента Геодезии и картографии Малайзии в г. Куала-Лумпур (б)

Согласно [87] горизонтальный интерференционный компаратор также имеет Швейцарская высшая техническая школа (ETH) в г. Цюрих.

1.9 Выводы по разделу 1

В разделе рассмотрены отечественные и иностранные методы и средства компарирования нивелирных реек. Большинство рассмотренных компараторов основаны на интерференционном методе. Прослеживается тенденция к переходу от визуального отсчитывания по рейке к

фотоэлектрическому (бесконтактному). Другими словами, отсчетные микроскопы и микроскоп-микрометры уступают место ЦФ и видео камерам.

В связи с переходом на цифровые методы отсчитывания по рейке появилась возможность автоматизации процесса компарирования. Процесс компарирования может протекать без непосредственного участия поверителя. Его задачей является настройка компаратора и его узлов в соответствии с технической документацией или проверка его узлов и необходимых условий непосредственно перед началом компарирования.

Другой отличительной особенностью современных компараторов является наличие специального программного обеспечения (СПО), упрощающего действия поверителя в процессе компарирования нивелирных реек. СПО позволяет управлять шаговым двигателем, в результате чего рейка перемещается вдоль направляющей; автоматически снимает и обрабатывает информацию с множества датчиков измерительной системы (температурных датчиков, датчиков влажности, лазерного интерферометра, цифрового нивелира и др.); систематизирует полученную информацию. Все полученные данные хранятся в памяти персонального компьютера (ПК) или ноутбука, и в любой момент могут быть выведены на дисплей или распечатаны на принтере (например, для выдачи сертификата свидетельства о поверки или протокола поверки). Полученная информация может быть представлена в виде графика, таблицы и др.

Кроме того, во многих источниках [5, 10, 12, 13, 51-55] уделяется внимание проблемам поверки нивелирных реек. Существует проблема оперативной поверки нивелирных реек в полевых условиях.

Таким образом, задача разработки автоматизированной, компактной, а главное мобильной ОЭИС с использованием свойств матриц МФП ЦФ для компарирования нивелирных реек является актуальной и отвечает современным (цифровым) требованиям бесконтактного отсчитывания по рейке.

2 Исследование принципиальных возможностей использования многоэлементных фотоприемников для компарирования линейных шкал геодезических инструментов

2.1 Общие положения

МФП нашли широкое применение в различных областях, в том числе в геодезии. Они используются в современных геодезических средствах измерений (ГСИ): цифровых нивелирах, электронных и роботизированных тахеометрах, лазерных сканерах, инклинометрах [56], даже в ГНСС приемниках [44] и др., в современных метрологических средствах измерений (МСИ): в коллиматорных стендах, в ИК, в стендах для поверки нивелиров и нивелирных реек. Кроме того, МФП активно используются в фотограмметрии и при астрономических наблюдениях.

Матрица МФП используется в качестве устройства для считывания информации с последующей обработкой или визуализацией (в ГСИ и МСИ), или для получения измерительного материала (в фотограмметрии и геодезической астрономии).

2.2 Определение пикселя

Матрицы МФП состоят из множества неделимых элементов -пикселей. Пиксель (от англ. pidnre element) - наименьший двумерный элемент цифрового изображения в растровой графике, или физический элемент матрицы дисплеев, формирующих изображение [65]. Пиксель представляет собой неделимый объект, характеризуемый определенным цветом. Сам по себе пиксель формирует черно-белое изображение (Рисунок. 2.1). Для получения цветного изображения используются светофильтры красного, зеленого и синего цветов, расположенных в определенной последовательности.

Матрица МФП Черно-белый пиксель Цветной пиксель

микролита

Рисунок 2.1 - К определению пикселя 2.3 Принцип действия и основные характеристики матриц МФП

2.3.1 Типы матриц

В настоящее время известны несколько типов матриц:

- На основе принципов приборов с зарядовой связью - ПЗС-матрица (CCD - Charge Coupled Device);

- На основе принципов комплементарных металл-оксид полупроводников - КМОП-матрица (CMOS - Complementary Metal Oxyde Semiconductor);

- Live-MOS-матрица;

- Super CCD-матрица;

- Матрица QuantumFilm.

Наиболее распространенными типами являются ПЗС и КМОП-матрицы. Однако в современных ЦФ предпочтение отдают КМОП-матрицам.

ПЗС-матрицы. Принцип действия ПЗС основан на явлении внутреннего фотоэффекта. Устройство пикселя ПЗС-матрицы представлено на Рисунке 2.2. Кремниевая подложка p-типа 8 оснащается каналами из полупроводника n-типа 6. Над каналами находятся электроды из поликристаллического кремния 4 с изолирующей прослойкой из оксида кремния 5. После подачи на электрод потенциала, в обедненной зоне под

каналом п-типа образуется потенциальная яма 7 для хранения электронов. Фотоны 1 попадают на чувствительный элемент через микролинзу 2 и светофильтр 3, и, в результате фотоэффекта, выбивают электроны из кремниевой подложки. Далее, электроны притягиваются к потенциальной яме. Заряд, накопленный в яме, считывается через сдвиговые регистры, как показано на рисунке 2.3, преобразовываясь в последовательность электрических импульсов. Эти импульсы далее поступают на усилитель и трансформируются в аналоговый сигнал для последующей обработки [76].

Рисунок 2.2 - Устройство пикселя ПЗС-матрицы

1 - фотоны, прошедшие через объектив фотокамеры; 2 - микролинза; 3 - цветной светофильтр; 4 - электрод из поликристаллического кремния; 5 - оксид кремния; 6 -кремниевый канал п-типа; 7 - зона потенциальной ямы (карман п-типа); 8 - кремниевая подложка р-типа

Рисунок 2.3 - Структура ПЗС-матрицы

1 - вертикальный регистр сдвига; 2 - пиксель; 3 - зарядовый пакет; 4 - усилитель; 5 -выходной регистр сдвига; 6 - фотодиод; 7 -механический затвор

В матрицах ПЗС регистрация сдвига осуществляется за счет ряда объединенных пикселей, способных перемещать заряды между потенциальными ямами. Этот процесс возможен благодаря электродам переноса, размещенным между пикселями. При подаче повышенного потенциала на прилегающий электрод заряд переходит под него из соседней ямы. Количество электродов переноса, варьирующееся от двух до четырех, определяет фазность сдвигового регистра.

Микросхема с тактовым генератором координирует подачу потенциалов и контроль над считыванием сигналов из регистров. Далее аналоговый сигнал направляется в усилитель, а затем декодируется устройством аналогово-цифрового преобразования (АЦП).

В матрицах ПЗС каждый элемент оснащён механическим затвором, регулирующим период накопления заряда. Завершение процесса накопления предшествует считыванию заряда из пикселей. Периоды между активациями затвора зависят от скорости передачи данных с матрицы [74].

Существуют несколько схем организации ПЗС-матриц [46]:

- схема с последовательными регистрами (Рисунок 2.3). Зарядовые пакеты последовательно переносятся с помощью регистров сдвига;

- схема с переносом кадра (Рисунок 2.4, а). Зарядовые пакеты одновременно сдвигаются в буферную зону размером с матрицу. В процессе нового накопления зарядовых пакетов, буферная зона освобождается с помощью последовательных регистров сдвига;

- схема с строчно-кадровым переносом (Рисунок 2.4, б). Зарядовые пакеты сдвигаются в буферную зону. В процессе генерации новых зарядовых пакетов, буферная зона освобождается за счет функционирования выходного регистра сдвига.

Я б

Рисунок 2.4 - Схемы матричной организации ПЗС с переносом кадра (а), с

строчно-кадровым переносом (б)

1 - зона накопления зарядовых пакетов; 2 - буферная зона; 3 - усилитель; 4 - выходной регистр сдвига

КМОП-матрицы. По мимо ПЗС-матриц используются активные пиксельные датчики (APS - Active Pixel Sensor) КМОП, принцип работы которых основан на комплементарных структурах металл-оксид-полупроводников.

Каждый пиксель КМОП-матрицы (Рисунок 2.5), в отличие от ПЗС, содержит не только фотодиод, но и активно-транзисторную схему для считывания сигнала. Технология КМОП позволяет интегрировать всю систему формирования изображения, включая массив МФП и управляющие схемы, на одном кристалле кремния [41].

Рисунок 2.5 - Пиксель КМОП-матрицы

1 - микролинза; 2 - усилительный транзистор; 3 - транзистор выбора столбца; 4 -кремниевая подложка; 5 - потенциальная яма; 6 - транзистор выбора строки; 7 -транзистор сброса; 8 - цветной светофильтр

Принцип работы КМОП-матрицы (Рисунок 2.6) во многом аналогичен ПЗС. Принципиальное отличие заключается в способе считывания зарядовых пакетов. В результате внутреннего фотоэффекта электроны, выбитые фотонами, притягиваются к потенциальным ямам. С помощью синхронизующего сигнала генератора импульсов выполняется одновременное считывание всех зарядов или зарядов конкретных пикселей. Подобное действие невозможно в ПЗС-матрице. Далее, сигнал направляется на усилитель, где аналоговый сигнал преобразовывается в цифровой.

Рисунок 2.6 - Структура КМОП-матрицы

1 - вертикальная шина; 2 - пиксель; 3 - цепь столбца матрицы; 4 - переключатель выбора столбцов; 5 - горизонтальная шина; 6 - зарядовый пакет; 7 - усилитель; 8 - фотодиод; 9 -переключатель выбора пикселя

При одновременном начале экспозиции и построчном считывании информации время накопления сигнала увеличивается для последующих строк после первой. Это связано с накоплением зарядовых пакетов в этих строках в процессе считывания первой строки. Увеличение времени накопления происходит пропорционально номеру строки. Решение данной проблемы обеспечивает применение скользящего затвора, или Rolling Shutter. Этот метод включает использование специальных транзисторов для различения времени начала экспозиции по строкам, что обеспечивает синхронизацию экспозиционного времени [46].

Отличительными особенностями КМОП-матриц от ПЗС являются:

- минимальное потребление энергии;

- на одном чипе достигнута высокая степень интеграции, дополненная блоками для обработки изображений;

- возможность выборочного чтения по строкам или столбцам матрицы.

Ыуе-М08-матрицы являются улучшенной версией КМОП (Рисунок 2.7). Они обладают рядом уникальных характеристик, которые выделяют их среди обычных КМОП-матриц:

- уменьшенное расстояния между фотодиодом и микролинзой влияет на повышение чувствительности, что, в свою очередь, улучшает качество формируемого изображения;

- уменьшенное количество управляющих сигналов с 3 (как в КМОП) до 2 (как в ПЗС), способствует увеличению фоточувствительной области каждого пикселя;

- фоточувствительная область составляет 30% поверхности Ыуе-МОБ-матрицы (сопоставимо с ПЗС). Используется более тонкая структура слоя датчиков NMOS типа [68];

- из-за наличия отдельной электрической цепи для каждого пикселя, на изображении часто появляется шум и возникает перегрев матрицы [69].

В целом, Live-MOS-матрицы уступают по своим характеристиками КМОП.

Рисунок 2.7 - Схема Live-MOS матрицы

Super CCD-матрицы имеют восьмиугольные пиксели разного размера (большие и малые) и цвета. Пиксели мелкого размера окрашены в синий и красный цвета, соответствуя меньшим размерам зеленых пикселей. Разнообразие размеров пикселей способствует увеличению динамического диапазона изображений, достигая при этом коэффициента заполнения 100%.

Фактически каждый пиксель матрицы Super CCD представляет собой пару фотодиодов под общей микролинзой (Рисунок 2.8). Первый элемент имеет меньший размер и меньшую чувствительность, второй - больший размер и большую чувствительность [78].

1 2

Рисунок 2.8 - Пиксель Super CCD-матрицы

1 - фотодиод с низкой чувствительностью; 2 - фотодиод с высокой чувствительностью

Преимущества Super CCD-матрицы:

- одно из важных преимуществ заключается в возможности отображения горизонтальных и вертикальных линий;

- повышенная чувствительность;

- расширенный динамический диапазон.

Недостатки Super CCD-матрицы:

- в отличие от классической матрицы Super CCD может пропустить диагональные линии, из которых и состоят объекты в действительности [72];

- из-за сложного принципа считывания сигнала Super CCD-матрицы потребляют большое количество энергии и дороги в производстве [69].

Матрицы QuantumFilm. Разработанная специалистами InVisage Technologies технология QuantumFilm позволяет матрицам, созданным на её основе, улавливать до 95% светового потока, в отличие от традиционных кремниевых матриц, фиксирующих около 25% падающего света.

Кремний имеет способность абсорбции световых волн с последующей трансформацией их в электрическую энергию. По этой причине становится необходимым его соединение с контактами и массивом транзисторов. Упомянутые транзисторы представляют собой металлические слои, чья толщина колеблется от 4 до 5 микрометров. В стандартных конструкциях матриц фотоны проникают через эти слои перед тем, как достигнуть кремниевой базы, что сокращает количество света, попадающего в матрицу, по сравнению с оптимизированными конструкциями.

Технология QuantumFilm характеризуется уникальной структурой матрицы. В ее основе лежит кремниевый слой, аналогичный используемым в традиционных матрицах, который расположен под двойным металлическим покрытием. Непосредственно над этими металлическими слоями находится элемент, чувствительный к свету, увеличивающий вдвое интенсивность попадающего света. Верхний слой структуры составляет цветной светофильтр.

Квантовый слой, называемый QuantumFilm, представляет собой гибкую и прозрачную полимерную пленку толщиной в диапазоне 0,5 - 1 микрометр. Содержание квантовых точек в его составе существенно повышает чувствительность, в четыре раза превышая показатели обычных КМОП-

сенсоров. Попадание фотонов на квантовые точки приводит к более эффективному поглощению световой энергии по сравнению с кремнием.

В пикселе камеры с технологией QuantumFilm содержится множество квантовых точек, размеры которых достигают нескольких нанометров.

Матрица QuantumFilm работает, как фотодиод в кремниевой матрице (Рисунок 2.9). Поглощая фотоны, квантовые точки преобразуют энергию света в квазичастицы, состоящие из отрицательно заряженного электрона и положительно заряженной дырки. Электрическое поле под квантовыми точками разделяет эти две частицы. Электроны попадают на кремниевую подложку и, на выходе, преобразуются в цифровой сигнал [74].

1

Рисунок 2.9 - Пиксель матрицы QuantumFilm (б) в сравнении с КМОП (а)

1 - микролинза; 2 - цветной светофильтр; 3 - квантовая пленка QuantumFilm; 4 -металлические слои; 5 - кремниевая подложка

Отличительные особенности матрицы QuantinumFilm:

- низкая стоимость, вследствие соединения кремниевой технологии с технологией QuantumFilm;

- размер матрицы меньше за счет наличия квантовых точек;

- динамический диапазон в два раза превышает диапазон КМОП-матриц благодаря квантовому эффекту;

- материал QuantumFilm одновременно является своего рода линзой и

усилителем [72].

2.3.2 Основные характеристики матриц МФП

Основными характеристиками матриц МФП являются:

- чувствительность;

- отношение сигнал/шум;

- разрешение;

- физический размер матрицы;

- размер и форма пикселя;

- динамический диапазон.

Взаимосвязанными и взаимозависимыми характеристиками являются: чувствительность, отношение сигнал-шум и физический размер пикселя. Чем больше пиксель, тем выше отношение сигнал-шум при заданной чувствительности, или выше чувствительность при заданном отношении сигнал-шум. Физический размер матрицы и ее разрешение жестко задают физический размер пикселя. Размер пикселя напрямую определяет динамический диапазон матрицы.

Чувствительность матриц. Чувствительность матрицы ЦФ к свету определяется параметром ISO. Этот показатель является аналогом чувствительности, используемой в аналоговой фотографии. Диапазон значений ISO в современных ЦФ изменяется от 50 до 102400. В среднестатистических ЦФ применяют максимальное значение чувствительности, которое соответствует уровню отношения сигнал/шум в интервале от 2 до 5 [66].

Возможность изменения чувствительности матрицы в обширном диапазоне обуславливается усилением сигнала и цифровой обработкой.

ISO, используемый для регулировки яркости изображений при съемке с помощью ЦФ в условиях плохого освещения, играет роль ключевого

параметра. Его важность заключается в возможности корректировки яркости без изменения выдержки и диафрагмы через настройку ISO. Механизм работы ISO связан с увеличением электрического тока, что не влияет на повышение светочувствительности фотодиодов. Сильное усиление тока приводит к появлению шумов на изображении, как отмечено в [69]. ЦФ с большей матрицей при аналогичных значениях ISO обладает меньшим количеством шумов.

Рекомендуемые параметры ISO:

- 100-200 - при работе на улице с естественным освещении;

- 400-800 - при работе в помещении или с искусственным освещением;

- 800-1600 - при работе в ночное время.

Отношение сигнал/шум. Для корректной работы матрицы МФП важную роль имеет поддержание высокого уровня сигнала по сравнению с уровнем шумов. Это требование обеспечивает необходимое значение отношения сигнал/шум, или SNR (от англ. signal-to-noise ratio).

SNR - отношение между полезным и нежелательным (мешающим) сигналом (Рисунок 2.10). Обычно данный параметр выражается в децибелах (дБ). Расчет выполняется по формуле (2.1):

SNR = 20 1д(^=), (2.1)

где «ис - уровень сигнала; V^m - среднее квадратическое значение шума. При SNR = 50 дБ и более изображение выводится на дисплее без видимых признаков шума. При SNR = 20 дБ различимы лишь крупные контрастные объекты» [46].

^ I Амплитуда

Чем выше уровень сигнала над шумом, тем лучше отношение сигнал/шум

Частота

Рисунок 2.10 - Отношение сигнал/шум SNR

Разрешение матрицы характеризуется количеством пикселей. Например, если размер матрицы 6000x4000 pix, то разрешение матрицы - 24 Mpix.

Разрешение часто выражается в количестве пар линий на миллиметр -1р/шш (последовательность черной и белой линий). Величина lp/mш также известна как частота. Обратная величина частоты дает расстояние в миллиметрах между двумя линиями.

Для каждой пары линий необходимы как минимум два пикселя (Рисунок 2.11): один для линии, другой для пространства между линиями.

Матрица Матрица

Полезный

Рисунок 2.11 - К определению разрешения матрицы в 1р/шш

Две линии будут различимы в том случае, когда между ними находится еще одна линия. Предельное разрешение такой матрицы будет соответствовать расстоянию, равному два пикселя [60, 66].

Объектив ЦФ имеет свое разрешение, и, если оно не будет соответствовать разрешению матрицы, то снимки получатся нечеткими.

Физический размер матриц определяется размером ее пикселей (Рисунок 2.12). Чем больше пиксель, тем больше его площадь и количество собираемого им света. Как следствие, более высокий уровень чувствительности и лучше отношение SNR. Размеры матриц приводятся к общему, полноразмерному, формату с помощью специального коэффициента - кроп-фактора.

36х24тт 19х29тт 15х23тт

6.6 х 8.8 mm 5.3 х 7.2 mm 4.3 х 5.8 mm

(2/3") (1/1.8") (1/2.5")

Рисунок 2.12 - Основные форматы матриц ЦФ Размер и форма пикселя. В современных матрицах размер пикселя варьируется от 2 до 8 мкм. Выпускаются матрицы с разными пропорциями пикселя:

- для видеоаппаратуры выпускаются матрицы с пропорцией пикселя 4:3 (PAL) или 3:4 (NTSC);

- фотографическое, рентгенографическое и астрономическое оборудование, а также развивающееся сейчас видеооборудование для HDTV обычно имеет квадратный пиксель;

- в Super CCD-матрицах используется восьмиугольный пиксель.

Динамический диапазон - это способность матрицы запечатлеть в одном кадре одновременно крайне светлые и крайне темные участки с различимыми деталями в них.

Единица измерения динамического диапазона - 1 EV, это одна ступень экспозиции. Обычно динамический диапазон ЦФ равен около 12 EV. Это означает, что между самыми темными участками кадра и самыми светлыми разница в 12 ступеней экспозиции [61].

2.3.3 Методы получения цветного изображения

Как было указано ранее, пиксель формирует черно-белое изображение. Чтобы изображение получилось цветным, используются различные системы фильтрации. Самой распространенной из них является цветовая схема RGB (red, green, blue).

Трехматричная система. Поступающий в камеру свет, попадая на пару дихроидных призм (оптическое устройство, разделяющее падающий на него световой поток на несколько, с различными диапазонами длин волн), делится на три основных цвета: красный, зеленый и синий (Рисунок 2.13). Каждый из этих пучков направляется на отдельную матрицу. Чаще всего используются ПЗС-матрицы, поэтому в наименовании соответствующей аппаратуры употребляется обозначение 3CCD [66].

Рисунок 2.13 - Принцип получения цветного изображения 3CCD

Преимущества трехматричной системы:

- лучше передача цветовых переходов, полное отсутствие цветного муара;

- выше разрешение: отсутствует фильтр необходимый для устранения муара;

- выше чувствительность и меньше уровень шумов;

- возможность введения цветокоррекции постановкой дополнительных фильтров перед отдельными матрицами, а не перед объективом

Недостатки трехматричной системы:

- принципиально большие размеры;

- трехматричная система не может использоваться с объективами с малым рабочим отрезком;

- в трехматричной схеме есть проблема сведения цветов, так как такие системы требуют точной юстировки, причем, чем большего размера применяется матрица и чем больше ее физическое разрешение, тем сложнее добиться необходимого класса точности.

Матрицы с мозаичными фильтрами. В матрицах с мозаичными фильтрами пиксели расположены в одной плоскости, и каждый пиксель накрыт светофильтром определенного цвета. Недостающая цветовая информация восстанавливается путем интерполяции.

В использовании светофильтров существует разнообразие методов, каждый из которых обладает уникальными характеристиками чувствительности и цветопередачи [66]. Следует подчеркнуть, что с увеличением чувствительности наблюдается значительное снижение качества в передаче цвета [62]:

- Модель фильтра Байера RGGB, первая в истории разработка данного типа, представлена на Рисунке 2.14. а. Четыре цвета пикселей -

красный, зеленый, зеленый и синий - являются основой для создания цветного изображения.

- Технология RGBW отличается увеличенной чувствительностью и расширением динамического диапазона. В процессе создания цветного изображения задействованы четыре пикселя, один из которых комплектуется светофильтром белого цвета.

- RGEB (красный-зеленый-изумрудный-синий);

- CGMY (бирюзовый-зеленый-лиловый-желтый).

Фильтр Байера

ч \ \ \ \

Л \ VS \ N \

kXW чХч.\

Foveon ХЗ

Ч:

Q ^ßr

ПТ1 .'.V.! I.I.I.L

Red: 25% Green: 50% Blue: 25%

Red: 100% Green: 100% Blue: 100%

Рисунок 2.14 - Матрица с мозаичным фильтром Байера (а) и многослойная

матрица Foveon X3 (б)

Матрицы с полноцветными пикселями. Существуют две

технологии, позволяющие получать все три цвета в каждом пикселе. Первая применяется в ЦФ фирмы Sigma (матрица Foveon X3), вторая существует только в виде прототипа.

Многослойная матрица Foveon X3. Многослойная матрица Foveon X3 отличается уникальной структурой. В ней фотодиоды для разных цветов уложены один над другим, как демонстрируется на рисунке 2.14, б. Особенностью матрицы является зависимость коэффициента поглощения света кремнием от длины волны в оптическом диапазоне. Синий свет, в

основном, поглощается верхним слоем толщиной 0,4 мкм. Зеленый свет поглощает средний слой, толщиной 2 мкм. Красный свет фиксируется нижним слоем, толщиной более 2 мкм. Слои разделены p-n-переходами. У каждого слоя предусмотрены отдельные выводы для передачи сигнала. Эта конфигурация позволяет эффективно собирать информацию о трех цветовых каналах в каждом пикселе [67].

Преимуществом матрицы Foveon X3 является более четкое изображение, поскольку не требуется процедура интерполяции и установка муарового фильтра. Недостатками являются недостаточная точность цветопередачи и относительно высокий уровень цифрового шума.

Полноцветная RGB-матрица Nikon. В полноцветной матрице Nikon [90] лучи RGB предметных точек в каждом пикселе, содержащем одну микролинзу и три фотодиода, проходят через открытую микролинзу и падают на первое дихроичное зеркало. При этом синяя составляющая пропускается первым дихроичным зеркалом на детектор синего, а зеленая и красная составляющие отражаются на второе зеркало. Второе дихроичное зеркало отражает зеленую составляющую на детектор зеленого, и пропускает красную и инфракрасную составляющие. Третье дихроичное зеркало отражает красную составляющую на детектор и поглощает инфракрасную составляющую.

По сравнению со всеми прочими системами, кроме трехматричной, данная технология имеет потенциальное преимущество в эффективности использования светового потока по сравнению с технологиями RGBW или фильтром Байера.

В отличие от систем 3CCD, этот тип матрицы не нуждается в точной юстировке оптической системы [59, 66].

2.3.4 Геометрическая нестабильность пикселей матриц МФП

Геометрическая нестабильность пикселей является одним из важнейших свойств для координатных измерений с использованием матриц

МФП. Современные ЦФ имеют высокое разрешение и соответственно большое количество столбцов и строчек пикселей, которое выражается в тысячах.

В результате исследования ПЗС-матрицы с размером пикселя 8,3x8,6 мкм [22] максимальное значение сдвига пикселя составило 0,4 pix (Рисунок 2.15). Примерно через 3 часа, после подачи питания на матрицу, изменение координат пикселей прекратилось и, далее, не превышало 0,001 pix.

Рисунок 2.15 - Изолинии изменения координат пикселей 8,3x8,6 мкм за 3 ч.

В исследованиях, нацеленных на анализ точности позиционирования пикселей в цифровых автоколлиматорах, произведенных компанией «Мо11ег-Wedel», было установлено [22, 50, 86], что максимальный зафиксированный сдвиг пиксельного положения составил приблизительно 0,4 pix. Спустя три часа непрерывной эксплуатации автоколлиматора позиционирование пикселей на матрице стабилизировалось, и дальнейшие смещения не были зафиксированы.

Согласно результатам исследований геометрической нестабильности ПЗС-матрицы с размером пикселя 8,3х8,3 мкм [3, 57], максимальное значение сдвига пикселей матрицы до стабилизации составило 0,098 pix (Рисунок 2.16), после стабилизации - 0,0067 pix. Можно сделать аналогичный вывод - после стабилизации матрицы смещение пикселей прекращается.

Рисунок 2.16 - Изолинии изменения координат пикселей 8,3х8,3 мкм за 3 ч.

Таким образом, на основании результатов исследований можно сделать вывод о том, что геометрическая нестабильность пикселей матриц МФП ЦФ не влияет на результаты координатных измерений после стабилизации, т.е. через 3 часа после включения ЦФ.

2.4 Объективы ЦФ и их характеристики

Объектив - это оптическая система, которая включает в себя определенное количество оптических элементов (линз или зеркал), которые формируют изображение на матрице ЦФ.

К основным характеристикам объективов относятся:

- фокусное расстояние;

- угловое поле;

- уровень и характер оптических искажений - аберраций;

- разрешающая способность;

- частотная-контрастная характеристика (ЧКХ).

2.4.1 Фокусное расстояние и угловое поле объектива

В зависимости от фокусного расстояния объективы можно разделить на три группы (Рисунок 2.17):

- широкоугольные:

• сверхширокоугольные;

умеренноширокоугольные;

широкоугольные.

нормальные; - телеобъективы:

• длиннофокусные;

• сверхдлиннофокусные.

Угловое поле взаимосвязано с фокусным расстоянием объектива (рис.

32).

Рисунок 2.17 - Зависимость фокусного расстояния объектива от углового

поля для полноформатной матрицы

2.4.2 Аберрации объектива

Аберрация - ошибка или погрешность изображения в оптической системе, вызываемая отклонением луча от того направления, по которому он должен был идти в идеальной оптической системе [70].

Различают монохроматические и хроматические аберрации. К монохроматическим аберрациям относятся: сферическая аберрация, кома, кривизна поля, астигматизм и дисторсия. Хроматические аберрации -увеличения и положения.

Сферическая аберрация - аберрация оптических систем, вызванная несовпадением фокусов для лучей, проходящих на разных расстояниях от оптической оси [70]. Она выражается в невозможности сфокусировать точку иначе, как в виде размытого по краям пятна, изображение оказывается нерезким (Рисунок 2.18).

Рисунок 2.18 - Ход лучей в идеальной оптической системе (а) и при

сферической аберрации (б)

Для устранения сферических аберраций при изготовлении объективов применяется техника комбинации линз с различной оптической силой -положительной и отрицательной. В процесс также включается использование асферических элементов.

Кома возникает, когда лучи света проходят через линзу под углом к оптической оси (Рисунок 2.19). В результате изображение точечных источников света приобретает по краям кадра вид асимметричных пятен каплеобразной формы.

Рисунок 2.19 - К определению комы

Конструкционно с комой борются примерно так же, как и со сферическими аберрациями.

Кривизна поля изображения - аберрация оптических систем, в результате которой изображение плоского объекта, перпендикулярного к оптической оси объектива, лежит на поверхности, вогнутой либо выпуклой к объективу (Рисунок 2.20). Эта аберрация вызывает неравномерную резкость по полю изображения. Т.е., когда центральная часть изображения сфокусирована резко, то его края будут лежать не в фокусе [64].

Рисунок 2.20 - К определению кривизны поля Астигматизм (Рисунок 2.21) проявляется в том, что для наклонного (не параллельного оптической оси объектива) пучка света лучи, лежащие в меридиональной плоскости (фокус в точке фокусируются отличным образом от лучей, лежащих в сагиттальной плоскости (фокус в точке S1), которая перпендикулярна меридиональной плоскости. Это приводит к асимметричному растягиванию пятна нерезкости. Астигматизм заметен по краям изображения, но не в его центре [70].

Рисунок 2.21 - К определению астигматизма

Дисторсия - аберрация оптических систем, при которой коэффициент линейного увеличения изменяется по мере удаления отображаемых предметов от оптической оси [63]. При этом нарушается геометрическое подобие между объектом и его изображением.

Выделяют два наиболее распространенных типа дисторсии: подушкообразная и бочкообразная. Подушкообразная дисторсия считается положительной, поскольку увеличивает расстояние от оптического центра по мере удаления от него, а бочкообразная дисторсия считается отрицательной, так как сжимает расстояние от оптического центра (Рисунок 2.22).

Рисунок 2.22 - Виды дисторсии: исходный объект (а), подушкообразная (б) и

бочкообразная (в)

Хроматическая аберрация увеличения - разновидность оптической аберрации в системах линз. Ее особенностью является различие в размерах изображений одного и того же объекта при преломлении лучей разных цветов (Рисунок 2.23, а).

В современных объективах наиболее существенное искажение в получаемое изображения вносит влияние дисторсии.

Рисунок 2.23 - К определению хроматической аберрации увеличения (а) и

положения (б)

Хроматическая аберрация положения. При прохождении света через оптическое стекло или другие оптические материалы наблюдается дисперсия. Это явление заключается в том, что показатель преломления среды зависит от длины волны излучения, т.е. от разных цветов.

Для синего света характерен коэффициент преломления, больше, чем для красного света. Это явление приводит к меньшему фокусному расстоянию синих лучей в сравнении с красными и их большей приближенности к задней главной точке линзы [46]. Разделение лучей в спектральном ряду ведет к их разному фокусному расстоянию (Рисунок 2.23, б).

2.4.3 Разрешающая способность

Разрешающая способность объектива во многом характеризуется контрастом получаемого изображения (Рисунок 2.24). Контраст рассчитывается по формуле (2.2):

I —1-К = тах min X 100%,

U

+ 1mir

(2.2)

'-тах 1 '-min

где K - контраст, lmax - максимальная яркость белых линий, lm минимальная яркость черных линий.

Рисунок 2.24 - Определение контраста на примере периодической решетки: (а) - малая частота линий, (б) - высокая частота линий

Контраст определяется тем, как точно минимальные и максимальные значения яркости передаются от плоскости объекта до плоскости изображения [57, 60].

На Рисунке 2.24 видно, что с увеличением пространственной частоты линий решетки, контраст изображения уменьшается.

Для получения четкого изображения черные участки должны быть максимально черными, а белые действительно белыми, с минимальным количеством оттенков.

2.4.4 Частотно-контрастная характеристика

ЧКХ или функция передачи модуляции (МТБ) определяет качество объектива. В связи с большим числом пикселей матриц ЦФ качество снимков, в основном, ограничено объективом.

МТЕ определяется как модуляция изображения М деленная на модуляцию объекта Мо (2.3):

мп

(2.3)

Периодические решетки (миры) печатаются на бумаге с яркостью 98%. Черный лазерный тонер для принтера имеет коэффициент отражения около 10%. Таким образом, значение для Мо составляет 88%. Из-за ограниченного динамического диапазона по сравнению с человеческим глазом, можно с уверенностью предположить, что Мо составляет 100% или 1. Соответственно, формула (2.3) сводится к более простому виду (2.4):

MГF = М; (2.4)

Максимальная частота линий, которую объектив способен воспроизвести, потеряв не более 50% - МТБ-50 (Рисунок 2.25), является важным числом, поскольку коррелирует с восприятием резкости человеком [58, 60, 71].

Рисунок 2.25 - Типичный график МТБ По оси абсцисс откладывается расстояние от центра кадра в миллиметрах, ноль соответствует центру кадра. По оси ординат откладывается значение МТБ. Единица соответствует максимальному контрасту (стопроцентная модуляция), ноль означает отсутствие контраста.

Цвет графиков указывает на пространственную частоту штрихов миры. Красный цвет соответствует частоте 10 линий на мм, голубой цвет - 30 линий на мм. Иными словами, красный график отвечает за контраст, а голубой за разрешение объектива.

Сплошные графики MTF для сагиттальных линий, а пунктирные - для меридиональных.

2.5 Фотограмметрическая калибровка ЦФ

Любые ЦФ имеют аберрации объектива, которые негативно сказываются на качестве получаемых снимков. Следовательно, требуется их выявление и учет. Как было указано ранее, наиболее существенный вклад в искажение изображения вносит дисторсия объектива.

Большое распространение, в качестве средства измерения, ЦФ получили в фотограмметрии. В процессе фотограмметрической калибровки ЦФ определяются элементы внутреннего ориентирования снимка (фокусное расстояние и координаты главной точки), а также параметры дисторсии [8, 34]. Эти данные, впоследствии, используются для обработки снимков в фотограмметрических программах.

Существует несколько фотограмметрических методов калибровки ЦФ. Основными лабораторными методами являются: калибровка ЦФ по снимкам пространственного или плоского тест-объекта (Рисунок 2.26).

Рисунок 2.26 - Пространственный (а) и плоский (б) тест-объекты